Исследование динамики химического состава сброженных яблочных соков в процессе уксуснокислой ферментации

Производство продуктов питания является одной из самых необходимых и востребованных отраслей промышленности. В соответствии с Государственной программой «Здоровое питание-здоровье нации», приоритетным направлением рассматриваемой области считается расширение ассортимента низкокалорийных натуральных продуктов для потребителей, следящих за своим здоровьем. Разработка этой группы продуктов диктуется насущной потребностью современного рынка, необходимостью оптимизации питания и здоровья, имеет важное значение ввиду резко возросших под влиянием современных причин, больших нагрузок на адаптационные способности организма человека [1] Потребность в продуктах питания, в том числе, в высококачественном плодовом уксусе, постоянно растет, расширяется ассортимент, улучшается качество, ужесточаются требования не только к качеству, но и длительности хранения готового продукта.

До 80-x годов 20-го века получали спиртовой уксус биохимическим путем, он широко использовался в питании людей, был незаменимым компонентом в рыбной, консервной промышленности, как вкусовая приправа в общественном питании и в быту. Выпускалось еще небольшое количество так называемого «винного уксуса».

В последние 20 лет в мире особое внимание уделяется разработке «плодового» уксуса, особенно яблочного, в двух вариантах – 6 и 9% [2].

Отличительной особенностью яблочного уксуса является то, в том, что в нем, помимо уксусной кислоты, в результате спиртового, а затем уксуснокислого брожения в реакционной среде накапливается много метаболитов дрожжей и уксуснокислых бактерий (УКБ), создающих приятный аромат и вкусовые ощущения, а также насыщающих продукт различными биологически-активными веществами [3].

Яблочный уксус является одним из наиболее ценных продуктов, вырабатываемых из яблочного сока. Яблочный уксус содержит в себе комплекс биологически активных веществ, полезных для здоровья человека [4].

Качество яблочного уксуса в большой степени зависит от внешних факторов: от сорта яблок, степени их зрелости, глубины сбраживания яблочных материалов, расы дрожжей, способов обработки сброженных масс, особенностей уксуснокислых бактерий и т. д. Многие факторы, из перечисленных, еще до конца не решены и требуют дальнейших исследований и проработки. Известно, что кроме уксусной кислоты и остаточного спирта яблочный уксус содержит различные соединения, которые частично переходят из сырья, а также образуются в процессе уксуснокислой ферментации. Многие из этих соединений влияют на вкус и аромат готового уксусах [5,6].

В задачи настоящего исследования входило исследование химического состава яблочных материалов и его изменение в процессе уксуснокислой ферментации.

Материалы и методы

В качестве сырья были использованы промышленные образцы соков яблок Центрального региона России.

В ходе исследований физико-химические показатели определяли в соответствии с общепринятыми в энохимии методами. Органолептические показатели (вкус и аромат) соков определяли по пятибалльной шкале.

Результаты и обсуждение

Химический состав яблочных соков весьма разнообразен. Известно, что химический состав яблочных соков колеблется в довольно широких пределах в зависимости от гомологического сорта, технологии переработки и хранения [1]. На первом этапе исследовали химический состав яблочных соков.

На первом этапе исследования было проведено исследование химического состава яблочных соков, полученных из яблок садов средней полосы.

В исследуемых образцах соков определены рН, содержание сухих веществ, титруемых кислот, летучих кислот, экстракта, сахаров, азотистых веществ, фенольных веществ и углеводов.

Результаты проведенных исследований представлены в таблице 1. Как видно из полученных данных, химический состав образцов яблочных соков идентичен. Некоторое отличие наблюдалось только в первом образце, в котором содержание углеводов, и соответственно сухих веществ, ниже (9,2% по сравнению с 12,0%). Титруемая и летучая кислотность в исследуемых образцах находились приблизительно на одном уровне и изменялись от 4,1 до 4,9 г/дм³ и от 0,36 до 0,48 г./дм³ соответственно. Значения рН также колебались незначительно и находились на уровне 3,45–3,65.

Биохимический состав яблочных соков представлен в таблице 2.

Таблица 1.

Физико-химические показатели яблочных соков

Table 1.

Physico-chemical parameters of apple juices

Образец (Сорт) Sample	Показатели состава | Indicator
	Сухие вещества, % Dry matter, %	Экстракт, г/дм3 Extract, g/dm3	Общий сахар, г/100 см3 Total sugar, g/100 cm3	Титруемая кислотность, г/дм3 Titratable acidity, g/dm3	Летучая кислотность, г/дм3 Volatile acidity, g/dm3	рН	органолептические показатели Organoleptic values
Образец 1 (Лобо) Sample 1 (Lobo)	9,2	9,62	10,4	4,9	0,48	3,45	4
Образец 2 (Мартовское) Sample 2 (March)	12,0	12,65	12,7	4,2	0,42	3,45	4
Образец 3 (Пепин шафранный) Sample 3 (Saffron Pepin)	12,0	12,62	12,7	4,2	0,42	3,45	4
Образец 4 (Коричное новое) Sample 4 (Cinnamon new)	12,0	12,52	12,6	4,1	0,36	3,40	4
Образец 5 (Мантет) Sample 5 (Mantet)	12,0	12,51	12,6	5,7	0,46	3,65	4
Образец 6 (Мелба) Sample 6 (Melba)	10,9	11,34	11,5	4,6	0,40	3,40	5
Образец 7 (Уэлси) Sample 7 (Welsey)	10,8	11,28	11,5	4,6	0,38	3,40	5

Таблица 2.

Биохимический состав яблочных соков

Table 2.

Biochemical composition of apple juices

Образец Sample	Показатели состава | Indicator
	мг/100 см3 | mg/dm3					Углеводы, г/100 см3 | Carbohydrates, g/dm3
	Общий азот Total nitrogen	Аминный азот Amine nitrogen	Белковый азот Protein nitrogen	Общие фенольные вещества Total phenolic substances	Мономерные фенольные вещества Monomeric phenolic substances
						Арабиноза	Фруктоза	Глюкоза	Полисахариды
№ 1	61,2	40,7	4,32	945,0	99,5	0,42	5,8	3,8	0,2
№ 2	63,2	43,1	3,89	1282,5	137,5	0,62	6,0	3,4	2,5
№ 3	89,0	53,6	5,04	1215,0	167,5	0,62	6,3	4,2	1,88
№ 4	69,2	38,7	7,20	756,0	69,7	0,83	5,4	2,4	3,97
№ 5	72,0	49,4	6,32	688,5	180,0	0,20	5,6	2,0	4,8
№ 6	67,2	32,0	4,59	930,0	97,3	0,30	5,2	3,2	2,8
№ 7	71,1	45,0	5,28	1020,0	152,7	0,50	5,8	3,8	1,4

Таблица 3.

Динамика физико-химического состава яблочных материалов в процессе уксуснокислой ферментации

Table 3.

Dynamics of the physico-chemical composition of apple materials in the process of acetic acid fermentation

Показатель | Indicator	Яблочный сок Sample	Яблочный сброженно-спиртованный сок Sample	Яблочный уксус Sample
Общее содержание сахаров, г/100 см3 | Total sugars content, g/100 cm3	11,5	0,34	0,3
Спиртуозность, % об | Alcohol content, % vol	–	6,6	0,5
Титруемая кислотность, г / 100 дм3 | Titratable acidity, g/100 dm3	4,6	3,8	78,0
Летучая кислотность, г/дм3 | Volatile acidity, g/dm3	0,4	0,8	75,0
Общий азот, мг/дм3 | Total nitrogen, mg/dm3	67,2	66,5	67,3
Общие фенольные вещества, мг/дм3 | Total phenolic substances, mg/dm3	930,0	365,2	342,0
Аминный азот, мг/дм3 | Amine nitrogen, mg/dm3	32,0	26,4	51,2
Фосфор, мг/дм3 | Phosphorous, mg/dm3	–	0,14	0,1
Степень окисления, мг/дм3 | Oxidation degree, mg/dm3	230	440	356
Альдегиды, мг/дм3 | Aldehydes, mg/dm3	–	60	178
рН	3,4	3,4	3,0

Таблица 4.

Сравнительный состав ароматообразующих компонентов яблочного уксуса

Table 4.

Comparative composition of aroma-forming components apple cider vinegar

Летучие компоненты(мг/л) Volatile components(mg/l)	Яблочный уксус Sample I	Яблочный уксус Sample II	Яблочный уксус Sample III
Ацетальдегид | Acetaldehyde	2,02	-	0,62
Этилацетат | Ethyl acetate	32,97	10,1	2,7
Пропанол | Propanol	0,09	1,0	0,25
Этилбутират | Ethylbutyrate	2,92	-	0,3
Изобутанол | Isobutanol	9,00	10,8	0,35
Изоамилацетат | Isoamyl acetate	0,18	0,4	0,42
Бутанол | Butanol	2,7	3,0	0,2
Изоамилол | Isoamylol	5,62	1,9	6,6
Этикапронат | Ethicapronate	-	0,03	0,02
Гексанол + этиллактат | Hexanol + ethyl lactate	53,64	13,1	5,0
2-гептанол | 2 heptanol	5,76	1,8	1,22
Этилкаприлат | Ethylcaprilate	0,9	0,9	0,12
Гексилвалерианат | Hexylvalerianate	4,05	-	0,22
Октилкапринат | Octylcapranate	0,63	-	Следы
Этилкапринат | Ethylcaprinate	1,44	-	0,05
Этиллаурат | Ethylaurate	-	0,3	0,17
β-фенилэтанол | β-phenylethanol	96, 45	1,3	-

Содержание фенольных веществ в исследуемых образцах колебалось от 688,5 мг/дм3 до 1282,5 мг/дм3, что, очевидно, обусловлено сортовыми особенностями перерабатываемых плодов и способом приготовления сока.

Исследование содержания мономерных форм фенольных веществ яблочных соков показало, что они изменяются от 69,7 мг/дм3 (образец 4) до 180 мг/дм3 (образец 5). Максимальное количество общего азота (89,0 мг/дм3) было обнаружено в образце 3. Наименьшее содержание (61,2 мг/ дм3) – в образце 1. Образцы соков имели практически равный уровень содержания общего азота (6–67,2 мг/дм3, 7–71,1 мг/дм3). Содержание аминного азота колебалось в различных образцах от 32,0 мг/дм3 до 53,6 мг/дм3. Наибольшее количество аминокислот обнаружено в образце 3 (53,6 мг/дм3), содержание же белковых веществ в нем составило 5,04 мг/дм3. Наименьшее содержание аминного азота было зафиксировано в образце 6 (32,0 мг/дм3, содержание белкового азота – 4,59 мг/дм3, т. е. на уровне предыдущего образца. Наибольшее количество белкового азота обнаружено в образце 4 (7,2 мг/дм3). Следует отметить, что наличие белкового азота в соках является нежелательным, так как большое их содержание в исходном сырье приводит к микробиальным и коллоидным помутнениям.

Содержание углеводов в представленных образцах находилось приблизительно на одном уровне. Содержание мономерных форм углеводов в представленных образцах колебалось от 77,2% (образец 5) до 99,3% (образец 1), на долю полимерных форм приходится от 2,2% (образец 3) до 0,7% (образец 1). Данные, представленные в таблице 2, свидетельствуют, что большая часть углеводного состава приходится на долю фруктозы (5,2–6,3 г / 100 см3). В несколько меньших количествах присутствует глюкоза 3,2– 4,2 г / 100 см3. Содержание арабинозы колеблется от 0,2 г / 100 см3 до 0,83 г./100 см3. Анализ углеводного состава яблочных соков свидетельствует об их высоких диетических свойствах, ввиду повышенного содержания фруктозы.

Проведенные исследования показывают, что наибольшее содержание азотистых, фенольных веществ и углеводов обнаруживается в образце 3. Очевидно, в данном случае повышенное содержание экстрактивных веществ обусловлено не только качественным составом яблок, но лучшим протеканием ОВ-процессов, экстракции и гидролиза биополимеров. В дальнейших исследованиях использовали соки сортов Мелба и Уэлси, т. к. они имели лучшую органолептику.

Яблочный уксус – продукт двойной ферментации – получают путем сбраживания углеводов яблок в этиловый спирт, а затем осуществляют биохимическое окисление этилового спирта до уксусной кислоты. При этом происходят значительные изменения химического состава яблочных соков и образуется продукт с совершенно новыми свойствами и составом [6,7].

На втором этапе было проведено исследование химического состава материалов в процессе ферментации. Сбраживание яблочного сока проводили на чистой культуре дрожжей Яблочная-7. Брожение осуществляли при температуре 20–220 С. Готовый сброженный сок спиртовали до 9% об и хранили до использования. Далее проводили уксуснокислое брожение глубинным способом.

С этой целью устанавливали стартовую концентрацию в культуральной смеси по уксусной кислоте 6,5–7,0% и по спирту 1,5–2% об. Контроль за ходом окисления осуществляли ежедневно. Динамика накопления уксусной кислоты представлена на рисунке 1. Как видно из рисунка 3.1, через трое суток содержание остаточного спирта в культуральной среде достигла 0,5% об, а содержание уксусной кислоты составило 7,5%.

В свежем яблочном соке, сброженно-спиртованном соке и уксусе определяли основные технологические и биохимические показатели.

Данные исследований представлены в таблице 3. Как видно из полученных данных, в процессе уксуснокислой ферментации снижалась спиртуозность, содержание фенольных веществ, фосфора, степень окисления, рН. Снижение содержания фенольных веществ обусловлено, очевидно, процессами полимеризации и поликонденсации, а также в результате образования и выпадения в осадок белково-танатного комплекса. Одновременно интенсивно протекали процессы кислото-, альдегидо- и эфирообразования, а также повышалось содержание аминного азота.

Сахаристость материалов в процессе окисления изменялась незначительно. Так содержание сахаров в сброженно-спиртованном яблочном соке составило 0,34 г./100 см3, а в уксусе – 0,3 г / 100 см3. Содержание общего азота в уксусе и сброженном материале практически находилось на одном уровне и составло соответственно 66,5 и 67,5 мг/дм3. В то же время замечено, что в процессе уксуснокислого брожения наблюдалось наблюдалось накопление аминного азота с 26,4 мг/дм3до 51,2 мг/дм3. Накопление аминокислот обычно связано с автолизом уксуснокислых бактерий, а не с их метаболизмом. Возможно, за счет этого происходит и незначительное увеличение общего азота. Вероятно, процессы автолиза происходят интенсивнее, чем образование белково-танатного комплекса. Величина рН снизилась с 3,4 до 3,0.

Содержание альдегидов в уксусе увеличилось почти в три раза по сравнению с яблочным материалов и составило 178 мг/дм3.

Исследовали состав ароматообразующих веществ различных образцов уксуса. Данные исследований представлены в таблице 4. Анализ полученных данных свидетельствует, что исследуемые образцы уксуса отличаются по составу и содержанию летучих компонентов. В первом образце яблочного уксуса содержится значительное количество легколетучих компонентов, таких как ацетальдегид и этилацетат. В яблочном уксусе синтезируются такие ароматообразующие вещества, как β -фенилэтанол, а также эфиры этилкаприлат, этилкапронат, этилкапринат и др.,

Сахаристость материалов в процессе окисления изменялась незначительно. Так содержание сахаров в сброженно-спиртованном яблочном соке составило 0,34 г./100 см3, а в уксусе – 0,3 г / 100 см3. Содержание общего азота в уксусе и сброженном материале практически находилось на одном уровне и составло соответственно 66,5 и 67,5 мг/дм3. В то же время замечено, что в процессе уксуснокислого брожения наблюдалось наблюдалось накопление аминного азота с 26,4 мг/дм3 до 51,2 мг/дм3. Согласно Петри [73] накопление аминокислот обычно связано с автолизом уксуснокислых бактерий, а не с их метаболизмом. Возможно, за счет этого происходит и незначительное увеличение общего азота. Вероятно, процессы автолиза происходят интенсивнее, чем образование белково-танатного комплекса. Величина рН снизилась с 3,4 до 3,0.

Содержание альдегидов в уксусе увеличилось почти в три раза по сравнению с яблочным материалов и составило 178 мг/дм3.

Исследовали состав ароматообразующих веществ различных образцов уксуса. Данные исследований представлены в таблице 4. Анализ полученных данных свидетельствует, что исследуемые образцы уксуса отличаются по составу и содержанию летучих компонентов. В первом образце яблочного уксуса содержится значительное количество легколетучих компонентов, таких как ацетальдегид и этилацетат. В яблочном уксусе синтезируются такие ароматообразующие вещества, как β -фенилэтанол, а также эфиры этилкаприлат, этилкапронат, этилкапринат и др., входящие в состав «энантового эфира» и придающие уксусу приятный фруктовый аромат.

Заключение

В результате определения фракционного состава азотистых, фенольных веществ и углеводов яблочных соков установлено, что химический состав яблочных соков зависит от способа переработки яблок и их сортовых особенностей.

В процессе уксуснокислой ферментации яблочных материалов наблюдается изменение азотистых и фенольных веществ. При этом углеводный состав практически не изменяется.

Бабаева М.В. и др. Вестник ВГУИТ, 2022, Т. 84, №. 4, С. 24-31 При окислении яблочных материалов уксуснокислыми бактериями значительно интенсифицируются процессы альдегидообразования и эфирообразования.

Анализ ароматических компонентов различных партий яблочного уксуса показал наличие в них таких веществ, как этилкапронат, β - фенилэтанол, этилкаприлат, которые входят в состав «энантовых эфиров».

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о разнообразии химического состава яблочных материалов и получаемого из них уксуса. В целом химический состав яблочных материалов зависит от качества перерабатываемого сырья и технологических условий производства.

Мы считаем, что дальнейшие исследования, направленные на глубокое и всестороннее изучение факторов, обусловливающих эффективность процесса биохимического окисления, исследование динамики химического состава яблочных материалов в процессе уксуснокислой ферментации представляют несомненный интерес.